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功能性食品—速溶茶的真空冷凍干燥

深圳綠鵬農(nóng)科產(chǎn)業(yè)股份有限公司生物技術(shù)開發(fā)中心   黃偉東 方樺

一、概述

    速溶茶具有抗氧化能力的茶多酚，是一種已變普遍受到重視的功能性食品。
    速溶茶俗稱茶晶，是從茶葉中提取、凈化、濃縮、干燥而成的精制品。速溶茶的特點是沖水即溶，沒有余渣，無有害重金屬及農(nóng)藥殘留,且有重量輕、體積小、便于攜帶的優(yōu)點，非常適合現(xiàn)代生活的需要。速溶茶對原料的要求并不嚴格，它只重內(nèi)質(zhì)，不拘葉形，如新鮮殘次葉及成品茶精制過程中的碎茶、梗茶、片茶、末茶均可，這為茶葉資源綜合利用打開了方便之門，因此，近年來速溶茶的生產(chǎn)與銷售得到了迅速發(fā)展。
    速溶茶需要保持茶葉中原有的生物活性成份及色澤、香氣、滋味等，其生產(chǎn)技術(shù)難度遠高于速溶咖啡。為了zui大限度地保持茶葉原有的生物活性物質(zhì)，在生產(chǎn)速溶茶時，除了在浸提過程中采用*盡可能完整地提取出茶葉原有的生物活性物質(zhì)外，在干燥過程中，人們采用了真空冷凍干燥技術(shù)作為干燥手段。 
    真空冷凍干燥的原理是：先將需干燥的制品在低溫下*凍結(jié)，然后在高真空的狀態(tài)下直接將冰晶（水份）以升華的方式除去，由于整個干燥過程是在真空、低溫的條件下完成的，避免了氧化及高溫對生物活性物質(zhì)的作用，zui大限度地保存了制品中的生物活性物質(zhì)，且干燥后的制品呈多孔海綿狀結(jié)構(gòu)，極易溶于水（甚至在冰水中）而迅速復(fù)原，上述優(yōu)點正是高品質(zhì)速溶茶所需要的，因此，近年來該技術(shù)在速溶茶的生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。
    但也應(yīng)該注意到，真空冷凍干燥過程是一個能耗較大的過程。速溶茶的凍干其實更相似于生物制劑的凍干。但由于速溶茶的附加值遠低于藥品，不可能采用藥品的凍干方式。因此采用成本低得多的食品凍干方式，目前世界上比較*的食品凍干水平是每脫除1Kg冰晶約需耗電1Kw.h（度），即使這樣，其能耗水平也是熱風(fēng)干燥技術(shù)的5~6倍，因此，對速溶茶凍干的理論和工藝有一個比較全面而系統(tǒng)的了解，合理而有效地縮短凍干周期，在工業(yè)化生產(chǎn)中具有明顯的經(jīng)濟價值。

  二、速溶茶的生產(chǎn)工藝流程

茶葉—→拼配—→浸提—→凈化—→濃縮—→預(yù)凍結(jié)—→凍干—→包裝

    從凍干技術(shù)角度來看，速溶茶的生產(chǎn)流程中，從茶葉拼配到濃縮屬凍干工藝的前處理部分，為了盡可能茶葉原有的生物活性物質(zhì)及品質(zhì)，凍干速溶茶的濃縮工序通常采用常溫、無相變、且在密閉系統(tǒng)內(nèi)完成的反滲透技術(shù)作為濃縮的手段，而不采用工作溫度較高、有相變、系統(tǒng)不密閉的真空濃縮技術(shù)，以防止溫度及相變時茶葉原有品質(zhì)的影響，可以認為，反滲透技術(shù)是與凍干技術(shù)相配套的濃縮技術(shù)。

  三、速溶茶的凍干工藝原理與實踐

對凍干速溶茶的質(zhì)量要求是：生物活性不變，外觀色澤均勻，形態(tài)飽滿，結(jié)構(gòu)牢固，溶解速度快，殘余水份低。其凍干工藝包括前處理、預(yù)凍結(jié)、升華和再干燥四個階段。
        1、前處理：主要有浸提、凈化、濃縮等過程，目的是將茶葉中的有效成份提取出來，經(jīng)凈化濃縮至一定的體積，以減少凍干過程的工作量，節(jié)約能源。前處理的結(jié)果對凍干速溶茶的湯色與滋味有著決定性的影響，因而對前處理的工作必須有足夠的重視。
        2、預(yù)凍結(jié)：預(yù)凍結(jié)前的濃縮茶湯，其化學(xué)本質(zhì)是茶多酚及其聚合物混合物的水溶液，分子量從幾百到幾萬都有，其溶解度隨溫度變化較大，易形成冷后渾，且具有較強的粘性，能粘在有特氟隆涂層的凍干盤上而不易脫離。預(yù)凍結(jié)時須考慮這一特性。
    一般情況下，溶液速凍時（每分鐘降溫10~50⁰C）冰晶保持在顯微鏡下可見的大小；相反，慢凍（每分鐘降溫1⁰C）時，形成的冰晶肉眼可見，粗冰晶在升華后留下較大的空隙，可以提高凍干速率，細晶在升華后留下的間隙較小，使下層升華受阻，速凍的成品粒子細膩，外觀均勻，比表面積大，多孔結(jié)構(gòu)好，溶解速度快，但成品的吸濕性相對也要強些。
    濃縮茶湯有兩種主要的預(yù)凍結(jié)方式，一種是先鋪盤，后在速凍庫內(nèi)降溫凍結(jié)，另一種是用快速制冰機少量分批次（每批次約1~2Kg）制成-30⁰C左右的薄冰，然后刮成碎冰再鋪盤，前者相當(dāng)于慢凍，后者接近于快凍，前種方法使用設(shè)備少，鋪盤快，缺點是制品在冷卻過程中有冷沉淀出現(xiàn)，成品有明顯的分層現(xiàn)象，色澤也不均勻，需經(jīng)混合才能達到一致，后者需要有快速制冰設(shè)備，但成品色澤均一，冷溶性好。此外，國外尚有冷凍噴霧造粒的設(shè)備，在噴霧過程中吹以強冷風(fēng)，直接將霧滴凍結(jié)，其優(yōu)點是粒子大小非常均一。
        3、升華的條件與速度：冰在一定溫度下的飽和蒸汽壓力大于環(huán)境的水蒸氣分壓時即開始升華；比制品溫度更低的冷阱對水蒸氣的抽吸與捕獲作用，則是維持升華所必需的條件。
    氣體分子在兩次連續(xù)碰撞之間的距離稱為平均自由程，它與壓力成反比，在常壓下，其值很小，升華的水分子很容易與氣體碰撞又返回到蒸汽源表面，因而升華速度很慢，隨著壓力降低至133Pa以下,平均自由程將增大10萬倍,使升華速度顯著加快，飛離出來的水分子很少改變自己的方向，從而形成了定向的蒸汽流。
    真空泵在凍干機中僅起著抽除*性氣體的作用，以維持升華所必需的低壓強，1g水蒸氣在常壓下為1.25升，而在133Pa時卻膨脹到1萬升，普通的真空泵在單位時間內(nèi)抽除如此大量的體積是不可能的，冷阱實際上成了專門捕集水蒸氣的真空泵。
    在速溶茶的凍干過程中，制品與冷阱的溫度通常在-25⁰C與-30⁰C，冰在該溫度下的飽和蒸汽壓分別為64Pa與38Pa，因而在升華表面與冷凝表面之間形成了一定的壓力差，這壓力差被喻為升華的動力，它將促使從制品中升華出來的水蒸氣，以一定的流速定向地抵達冷阱表面而凝結(jié)成冰霜。
    冰的升華熱約為2812J/克，如果升華過程中不供給熱量，那末制品只有降低內(nèi)能來補償升華熱，直到其溫度與冷阱溫度平衡后，升華實際上也就停止了，為了保持升華面與冷凝面的溫度差，必須對制品提供足夠的熱量。
        4、升華過程：在升溫的*階段（即大量升華階段），制品溫度要低于共晶點一個范圍，速溶茶的共晶點為-18⁰C，*階段制品的溫度一般控制在-20⁰C以下，（此時冷阱的溫度至少應(yīng)在-28⁰C以下），因此輻射板溫度應(yīng)加以控制。若制品已經(jīng)部分干燥，但溫度卻超過共晶點，此時將發(fā)生制品的融化現(xiàn)象，此時融化的液體，對冰飽和，對溶質(zhì)卻未飽和，因此干燥的溶質(zhì)將迅速溶解進去，zui后濃縮成一薄層僵塊，外觀極為不良，溶解速度很差，若制品的融化發(fā)生在大量升華的后期，則由于融化的液體數(shù)量較少，因而被干燥的多孔性固體所吸收，造成凍干后的塊狀物有所缺損，加水復(fù)原時仍能發(fā)現(xiàn)局部溶解速度較慢。
    在大量升華過程中，雖然輻射板和制品溫度有很大懸殊，但由于輻射板溫度、冷阱溫度和真空度基本上不變，因而升華吸熱比較穩(wěn)定，制品的溫度相對恒定，隨著制品自上而下層層干燥，冰層升華的阻力逐漸增大，制品溫度也會小幅上升，直至用肉眼已看不到冰晶存在，此時90%以上的水份已去除，大量的升華過程至此已基本結(jié)束，為了確保整機內(nèi)制品的大量升華的完畢，制品溫度仍應(yīng)保持一個階段再進行第二階段的升溫。
    剩余百分之幾的水份稱為殘余水份，它與自由狀態(tài)的水在物理化學(xué)性質(zhì)上有所不同，殘余水份包括了化學(xué)結(jié)合水與物理結(jié)合之水，諸如化合物的結(jié)晶水，蛋白質(zhì)通過氫鍵結(jié)合的水以及固體表面或毛細管中吸附的水等，由于殘余水份受到種種引力的束縛，其飽和蒸汽壓則不同程度的降低，因而干燥速度明顯下降。雖然提高制品溫度可以促進殘余水份的汽化，但若超過某極限溫度，生物活性也可能急劇下降，保證制品安全的zui高干燥溫度要由實驗來確定，通常控制在第二干燥階段將輻射板的溫度控制在+60⁰C左右，并保持恒定。在這一階段初期，由于制溫度升高，殘余水份少又不易汽化，因此制品溫度上升快，但隨著制品溫度與輻射板溫度逐漸靠近，傳熱變得更為緩慢，需要耐心等待相當(dāng)長的一段時間，實踐經(jīng)驗表明，殘余水份干燥的時間與大量升華的時間幾乎*相等，有時甚至還會超過。
         5、凍干曲線：將輻射板溫度、制品溫度、冷阱溫度、干燥箱真空度等隨時間的變化記錄下來即可得到凍干曲線，據(jù)上述理論指導(dǎo)，凍干速溶茶時得到的曲線如下：
    預(yù)凍采用慢凍時的凍干曲線將輻射板溫度、制品溫度、冷阱溫度、干燥箱真空度分成兩個階段，在大量升華時，輻射板溫度較高，一般可控制在+80~+90⁰C之間，而制品溫度則在-20⁰C以下，冷阱溫度則在-30⁰C以下、干燥箱真空度在120~133Pa之間，第二階段輻射板溫度降至+60~+70⁰C之間，而制品溫度工則逐漸上升至+60⁰C并趨于恒定，而冷阱溫度則降至-35⁰C以下（終點可降至-38~-40⁰C），干燥箱真空度則從130Pa左右逐漸降至13Pa左右并趨于恒定。該曲線在DF-2000型機上的凍干時間約14~15小時。
    預(yù)凍采用快速凍結(jié)時，由于升華表面積大大增加，*階段剛開始時的輻射板的溫度不能太高，否則會發(fā)生大量升華時的制品融化現(xiàn)象，而應(yīng)將輻射板溫度設(shè)置在+60⁰C左右，待真空度有所下降時才能逐漸升溫至+90⁰C左右，以保證升華熱的供給，當(dāng)制品的溫度超過共晶點時，則應(yīng)開始逐漸降低輻射板的溫度至終點溫度，在DF-2000型機上的凍干時間約14~15小時。

參考文獻：
        1、《動物生化制藥學(xué)》    商業(yè)部臟器生化制藥情報中心站編                    主編：張?zhí)烀?吳梧桐 王友同 陸得璋     人民衛(wèi)生出版社（北京市崇文區(qū)天壇西里10號）        1982
    2、《食品工業(yè)制冷技術(shù)》  羅馬尼亞文原版  1971年由布勒斯特技術(shù)出版社出版  作者： 奧勒耳·西沃拜努  加布瑞拉·拉斯庫  瓦西里·貝爾塞斯庫  里迪·尼古列斯庫     孫時中 張孝若  邊增林譯    輕工業(yè)出版社   1987
    3、《食品干燥》     著作者  邱建人      中國臺灣復(fù)文書局       1984